陶瓷窑内流场与温度场仿真模拟及结构优化

1　前言

摘要　陶瓷窑内温度分布的均匀性对制品的质量具有关键的影响。本文以实际陶瓷窑炉为几何模型，采用数值模拟的方法，对现有陶瓷窑炉结构改造及参数优化后的窑内烟气的流场与温度分布进行了仿真模拟。结果表明，陶瓷窑炉的结构及操作参数对窑内的温度分布有重要影响，在对陶瓷窑炉结构改造及采用合理的操作参数后，窑内能取得均匀的温度分布。

关键词　陶瓷窑炉，流场，温度场，仿真模拟，结构优化

对于薄壁陶瓷窑炉，当以燃料燃烧作为主要热源时，窑内的主要换热方式是热烟气与制品之间的对流换热和辐射换热。而决定窑内对流换热强度与温度分布的主要因素是窑内燃烧情况及热烟气流动的流场。

本文根据现有陶瓷窑炉的结构及操作参数。采用数值模拟的方法，计算了窑内的流场与温度分布。并对窑炉结构及操作参数进行了改造优化，计算了优化后窑炉内的流场与温度场，最后取得了较均匀的温度分布。

2　数学模型

受窑内制品排列方式、燃料燃烧等影响，陶瓷窑炉内实际烟气流动情况非常复杂，在进行模拟计算时必须进行一些合理的简化。本计算模型进行了下列简化：

(1)未考虑窑内制品对流体流动的阻力，只考虑窑内烟气的流动及温度分布。

(2)窑内烟气看作不可压缩性流体，烟气的物性参数取平均温度为1550℃时的参数，不考虑物性参数随温度的变化。

2.1基本方程

在最高温度保温时。将窑内烟气的流动近似看作稳态湍流流动。此时表示湍流流动的N-S方程按文献进行计算。将烟气与制品之间的对流换热看作湍流换热过程，能量传输方程按文献进行计算。描述窑内湍流流动的模型采用k—ε模型，具体方程按文献进行计算。

2.2边界条件

本计算以某厂实际陶瓷窑炉作为计算模型，该窑炉的结构示意图如图1所示。

烧嘴人口看作速度入口，根据烧嘴结构及一次风量、燃油量进行计算，入口温度根据燃烧温度计算，本计算取1600℃。

烟气出口看作压力出口，根据排烟机的性能参数及排烟管路图计算出口的抽力，本计算取-800Pa。

顶部及侧墙可看作无滑移流动边界。窑内温度场计算应根据窑炉砌筑图及砌筑材料的物性参数，耦合窑内的烟气流动，同时计算出窑体砌筑材料及窑内的温度分布。本计算根据实际测量结果，按照窑体外表面温度为70℃进行计算，环境温度取20℃，材料表面黑度取0.85，计算窑体的散热量，并以第二类边界条件进行窑内温度场的计算。

3　网格划分与计算

采用正交直角坐标系统，在整个区域内划分六面体网格。为了保证计算精度并节约计算时间，在入口区域、出口区域采用较密的网格划分格式，其它区域则采用相对稀疏的网格划分格式。网格划分图略。

利用CFD商业软件求解各方程，选用分离求解器，二阶差分格式。计算时设置监视点，并监视各变量随迭代次数的变化，当能量残差值小于2×10^-8、其它各残差值小于10^-6，且监视点的速度不再发生变化时，即认为收敛，可获得稳定的速度场及温度分布。

4　计算结果与分析

4.1改造前窑炉内的流场及温度分布

图2、图3、图4分别为改造前窑炉在一定操作参数下，窑内宽度方向、长度方向及高度方向中心截面的流场图及温度分布图，图5为设置有烧嘴水平断面处(上部一排)流场图及温度分布图。

由图2(a)可知，在宽度方向，周边热烟气的流动速度大于中心，造成周边气体的偏流现象，从而导致周边温度高于中心温度，上部温度高于下部温度，如图2(b)所示，同一断面上最大温差达30℃左右。窑内气体流动速度小，只在靠近顶部左右两端及底部靠近两端各形成两个漩涡，气体湍流强度小，对流换热强度弱，不利于强化制品与热烟气之间的对流换热，能量消耗大。

由图3(a)可知，由于气流之间的相互引射作用，由烧嘴喷入的气流并不是直接由出口流出，而是沿壁面向上流动，然后再通过中心截面向下流动，由出口流出，这有利于热烟气与制品之间的热量交换。但周边热烟气的流动速度大于中心，且形成的漩涡靠近周边，从而导致周边温度高、中心温度低；上部温度低、下部温度高的现象。

由图4、图5可知，在窑内水平截面上。靠近左上角和右下角形成两个漩涡，中间气体流动速度低，从而导致周边温度高于中心温度，最大温差达30℃以上。

4.2改造后窑炉内的流场及温度分布

图6、图7分别为改造后窑炉在窑内宽度方向及高度方向中心截面的流场图及温度分布图。

由图6(a)可知，改造后的窑炉内，由上向下形成多个烟气流动的漩涡，加强了窑内的对流换热过程，有利于强化热烟气与制品之间的对流换热，节省了能量消耗；且窑内温度分布较均匀，如图6(b)所示，上下最大温差不到10℃，宽度方向中心与周边最大温差也小于10℃。

由图7(a)可知，改造后的窑炉，在高度方向中心水平截面上，中间气流速度高，中间高速气流与周边流动的气流之间形成多个漩涡，气体流动的湍流强度加强，强化了窑内的换热过程，降低了中心温度与周边温度差，使同一截面温度分布均匀，如图7(b)所示。

5　结论

(1)采用数值模拟方法计算了陶瓷窑炉内的流场与温度分布，计算结果表明：窑内气流的流场直接影响窑内温度的均匀性。

(2)改造前窑炉内，由于存在气流偏流现象，靠近周边的气流流动速度大于中心，使得窑内上下及四周与中心之间存在较大的温差，最大温差达30℃左右。

(3)对窑炉改造后，烟气在窑内流动的速度增加，在窑内形成多处漩涡，湍流强度增加。不仅强化了窑内热烟气与制品之间的传热过程，而且使窑内温度分布均匀，最大温差不大于10℃，有利于提高产品的质量，降低能量消耗。

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